Analysis of forming geometrical macrostructure in walls of extrusion products manufactured from polypropylene composite filled with CaCO3

• Autorzy: Klepka T. , Nabiałek J.

Warianty tytułu

PL

Analiza kształtowania makrostruktury geometrycznej ścianki wytłoczyny wytworzonej z kompozytu polipropylenu napełnionego CaCO3

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Extrusion products in the form of polymeric ducts are mainly manufactured in the process of single-screw extrusion, coextrusion and extrusion with the expansion of an extrudate wall under negative pressure in movable segments. Different methods of forming the extrusion product allow one to obtain products with solid, cellular or corrugated walls. In addition, in all the mentioned extrusion processes, it is possible to apply extra technological treatments enhancing a given quality which might be significant in terms of the function to be fulfilled by the product or conditions of its use. Products obtained in this manner from the material display special, extra properties enabling their application in the latest technological solutions. At the moment, the greatest technical progress has been observed in optical communications technologies and it is in this sector that duct-shaped extrusion products have been applied most widely. They are laid in special concrete conduit installations and subsequently, innerducts of smaller dimensions or directly teletechnical, power or optotelecommunication cables are installed inside them. Considering all this, it is required that the structures of modern extrusion products have good mechanical properties. Less resistance to motion during the introduction of cables into the interior part of the extrusion product can be obtained through the manufacture of its internal wall with a proper geometrical macrostructure in the form of special slide ribs. Until present, extrusion products in the form of such ducts have been manufactured from high density polyethylene (PE-HD), however, due to the need to obtain enhanced circumferential rigidity, other alternative polymeric materials, copolymers as well as calcium carbonate (CaCO3) or talc (Mg3(OH)2Si4O10) filled composites have been pursued. The article presents the patterns of changes in the rheological properties of propylene composites with different CaCO3 content during their flow through the channel gap in the extrusion die. Numerical analysis was conducted with the use of the finite element method (FEM) in the area between the core forming the slide ribs and a cylinder-shaped external wall. The material within the core area flows through a specific number of macro depths whose shape corresponds to the shape of the slide ribs which are manufactured in the inner surface of the extrusion product. The ratio of rib height to wall thickness was 1:8. The rheological sevenparameter Cross-WLF model was used to analyze changes in the shear rate and viscosity of the material in a given section of the extrusion die. The results for the filled polypropylene composite (PP + CaCO3) were compared to the results obtained for a PE-HD without additives or fillers in the same processing conditions.

PL

Wytłoczyny będące w efekcie kanałami z tworzywa polimerowego wytwarza się głównie w procesie wytłaczania ślimakowego, współwytłaczania oraz wytłaczania z podciśnieniowym rozciąganiem ścianki kanału w ruchomych segmentach. Różne metody kształtowania wytłoczyny pozwalają na otrzymywanie wytworów o ściance litej, porowatej lub strukturalnej. Ponadto do wszystkich wymienionych procesów można stosować dodatkowe zabiegi technologiczne, poprawiające wybraną cechę, ważną na przykład z uwagi na funkcje, jakie ma spełniać wytwór, lub warunki, w jakich będzie eksploatowany. Otrzymane w ten sposób produkty z tworzywa wykazują specjalne, dodatkowe właściwości, które pozwalają na stosowanie ich w nowoczesnych rozwiązaniach technicznych. Obecnie największy postęp techniczny można zaobserwować w technikach optotelekomunikacyjnych i właśnie tam wytłoczyny kanałowe z tworzyw znalazły największe zastosowanie. Układa się je w specjalnych betonowych instalacjach, a do nich wciąga się rurociągi o mniejszych wymiarach lub bezpośrednio kable teletechniczne, energetyczne lub optotelekomunikacyjne. Wszystko to powoduje, że nowoczesne konstrukcje wytłoczyn muszą mieć dobre właściwości mechaniczne. Uzyskanie mniejszych oporów ruchu przy zaciąganiu do wnętrza wytłoczyny kabli otrzymuje się, wykonując wewnętrzną jej ściankę z odpowiednią makrostrukturą geometryczną, w postaci żeber ślizgowych. Dotychczas wytłoczyny w postaci kanałów tego typu były wytwarzane z polietylenu dużej gęstości (PE-HD), jednak z uwagi na potrzebę uzyskania większej sztywności obwodowej poszukuje się również innych alternatywnych tworzyw polimerowych, kopolimerów, a także kompozytów napełnionych kredą (CaCO3) lub talkiem (Mg3(OH)2Si4O10). W artykule przedstawiono przebieg zmian właściwości reologicznych kompozytu polipropylenu z różną zawartością CaCO3, podczas przepływu przez szczelinę w głowicy wytłaczarskiej. Analizę numeryczną prowadzono metodą MES, w obszarze pomiędzy rdzeniem kształtującym żebra ślizgowe a walcową ścinką zewnętrzną. Przepływ tworzywa w obszarze rdzenia przebiegał przy określonej liczbie wgłębień, odpowiadających kształtom żeber ślizgowych wytwarzanej wytłoczyny. Stosunek wysokości żebra w odniesieniu do grubości ścianki wynosił 1:8. Obliczenia prowadzono przy wykorzystaniu siedmioparametrowego modelu reologicznegoCross-WLF, analizując rozkład zmian wartości szybkości ścinania oraz lepkości tworzywa na interesującym odcinku głowicy. Wyniki otrzymane dla kompozytu (PP + CaCO3) porównano z wynikami uzyskanymi dla PE-HD bez dodatków i napełniaczy w tych samych warunkach przetwórstwa.

Słowa kluczowe

EN

composite of polypropylene with CaCO3; geometrical macrostructure; rheological properties; computer simulation

PL

kompozyt polipropylenu z CaCO3; makrostruktura geometryczna; właściwości reologiczne; symulacja komputerowa

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2011
• Tom: R. 11, nr 3
• Strony: 273--277
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Klepka T.

autor

Nabiałek J.

• Politechnika Lubelska, Katedra Procesów Polimerowych, ul. Nadbystrzycka 36, 20-610 Lublin,

Bibliografia

• [1] Sikora R., Tworzywa wielkocząsteczkowe - Rodzaje, właściwości i struktura, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Lubelskiej, Lublin 1991.
• [2] Rauwendall C., Polimer Extrusion, Carl Hansen Verlag, Munich 1986.
• [3] Sikora R., Klepka T., Przegląd konstrukcji rur optotelekomunikacyjnych z tworzyw, Projektowanie, stosowanie i eksploatacja elementów maszyn i urządzeń. Politechnika Częstochowska, Częstochowa 1996.
• [4] Klepka T., Konstrukcje osiowo-symetrycznych wytworów o kształtach złożonych, Polimery 2008, 53, 5, 390-395.
• [5] Kargin V.R., Gorshkov Yu S., Vol’nykh Yu A., Method of fabricating multichannel pipes with longitudinal and helical ribbing, International Journal of Mechanical Science 2000, 42, 2, p. 693-703.
• [6] Jiang Z.Y., Tieu A.K., Lu C., Thermo-mechanical analysis of ribbed strip rolling by a three-dimensional rigid–viscoplastic FEM. Journal of Materials Processing Technology 2002, 130, 20, 189-194.
• [7] Lee K., Mackley M.R., The significance of slip in matching polyethylene processing data with numerical simulation, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics 2000, 94, 2-3, 159 177.
• [8] Ilinca F., Hetu J.-F., Derdouri A., 3D Modeling of Nonisothermal filling, SPE Technical Journals, Polymer Engineering and Science 2002, 42 4, 760-769.
• [9] Nabialek J., Kwiatkowski D., Investigations of the plastics flow during the injection moulding process selected results, 14-th International Scientific Conference AMME’2006, Gliwice 2006, 225-228.
• [10] Koszkul J., Nabiałek J., The influence of viscosity model on the results of injection molding process simulation, 9-th International Scientific Conference AMME’2000, Gliwice- Sopot-Gdańsk 2000, 311-314.
• [11] Koszkul J., Nabiałek J., Viscosity models in simulation of the filling stage of the injection molding process, Journal of Materials Processing Technology 2004, 157-158, 183 187.